WO2021230136A1

WO2021230136A1 - ロボット制御装置

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Publication number: WO2021230136A1
Application number: PCT/JP2021/017391
Authority: WO
Inventors: 揚啓柳田
Original assignee: ファナック株式会社
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2021-11-18
Also published as: JPWO2021230136A1; JP7502427B2; DE112021001923T5; CN115515760A; US20230094555A1

Abstract

エラーの発生でアプリ処理作業が中断されたときに、人手によって手直しをする必要がなく、自動的に、アプリ処理が途切れた部分（ギャップ）の発生やアプリ処理作業再開時の過大処理の発生を回避できるロボット制御装置を提供することを目的とする。アプリ理作業が中断された際に、中断された位置からさらに作業部位が前進した後に停止した場合に、前記作業部位が、停止する前の前進動作時の曲線軌跡に沿って所定の距離だけ逆行し、当該逆行した位置から、曲線軌跡に沿って前進する前進動作を再開することにより、前記作業部位は前記連続処理作業が中断された位置において、前記アプリ作業が中断された時点と同じ速度で進行しながら前記連続処理を再開することができるようにした。

Description

ロボット制御装置

　本開示は、ロボットアーム先端に取り付けられたツールを進行させながら連続処理作業を行うロボット制御装置に関し、特に、ロボットアーム先端のツールを進行させながらの連続処理作業を中断した後の再開の制御に係るロボット制御装置に関する。

　ロボットによる塗布作業などのアプリ処理作業は、ロボットアーム先端に取り付けられたツールを進行させながら連続処理作業であるアプリ処理作業を行うものであるが、何らかのエラーが発生した場合には、まず、アプリ処理作業が中断され、その後、ロボットアーム先端に取り付けられたツールはアプリ処理作業が中断された状態で減速してある距離だけ進行した後に停止する。エラーの原因を解除した後に停止位置からアプリ処理作業を再開すると、アプリ処理作業が中断された状態で減速して進行した距離は、アプリ処理が途切れた部分（ギャップ）となり、品質に問題が生じる。さらに、ロボットアーム先端に取り付けられたツールの速度が、プログラムで指定されている速度に達する前にアプリ作業を再開することとなるため、単位距離当たりの処理量（例えば、塗布作業においては塗布量）が過大になり、この点でも処理の品質に問題を生じさせる。

　この問題を解決するため、特許文献１には、アプリ処理作業の再開前に、アプリ処理作業が中断された状態で減速して進行した距離と、アプリ処理作業の再開時にロボットアーム先端に取り付けられたツールの速度がプログラムで指定されている速度に達するのに必要な加速に要する距離を合わせた距離だけ、ロボットアーム先端に取り付けられたツールを直線的に後退させ、その地点から、ツールの進行動作を再開させ、加速してアプリ処理作業の中断地点においてプログラムで指定されている速度に達すると、その時点からアプリ処理作業を再開させることが記載されている。

米国特許第６，３６０，１４３号明細書

　特許文献１によれば、アプリ処理が途切れた部分（ギャップ）の発生や、アプリ処理作業再開時の過大処理という問題は避けることができる。しかしながら、特許文献１では、ロボットアーム先端に取り付けられたツールの進行が直線的に進行することを前提しており、曲線の軌跡上を進行するものには対応していない。

　ロボットアーム先端に取り付けられたツールが曲線の軌跡上を進行する場合には、特許文献１のようにロボットアーム先端に取り付けられたツールを直線的に後退させると、障害物に衝突する恐れがあり、直線的な後退の手法は使えない。そのため、ロボットアーム先端に取り付けられたツールが曲線の軌跡上を進行する場合にエラーの発生でアプリ処理作業が中断されたときには、後退動作をすることなくアプリ処理作業を再開せざるを得ず、アプリ処理が途切れた部分（ギャップ）の発生やアプリ処理作業再開時の過大処理を人手によって手直しする必要が生じていた。

　したがって、ロボットアーム先端に取り付けられたツールが曲線の軌跡上を進行する場合においても、エラーの発生でアプリ処理作業が中断されたときに、人手によって手直しをする必要がなく、自動的に、アプリ処理が途切れた部分（ギャップ）の発生やアプリ処理作業再開時の過大処理の発生を回避できるように制御することが求められている。

　上記の課題を解決するため、本開示のロボット制御装置は、プログラムにより所望の曲線軌跡に沿って所望の速度でロボットアーム先端に取り付けられたツールを進行させながら連続処理作業を行うロボット制御装置において、前記連続処理作業が中断された際に、前記連続処理作業の中断の位置からさらに前記ツールが減速しながら前進した後に停止した場合に、前記連続処理作業の中断の位置及び前記連続処理作業の中断の位置での前記ツールの進行速度を記憶する記憶ユニット、及び、前記ツールが、前記記憶ユニットで記憶された前記連続処理作業の中断の位置及び速度で進行しながら前記連続処理を再開することができるように、前記ツールが停止する前の前進動作時の曲線軌跡に沿って所定の距離だけ逆行し、当該逆行した位置から、前記曲線軌跡に沿って前進する前進動作を再開するためにロボットに与える指令信号を作成する処理ユニットを備える。

　本開示のロボット制御装置によれば、ロボットアーム先端に取り付けられたツールが曲線の軌跡上を進行する場合にエラーの発生でアプリ処理作業が中断されたときに、障害物に衝突する恐れを回避しつつ、アプリ処理が途切れた部分（ギャップ）の発生やアプリ処理作業再開時の過大処理を人手によって手直しする必要が生じず、効率的にアプリ処理作業を継続することができる。

本開示のロボットシステムの構成図である。本開示のロボット制御の際の信号の授受関係を示すブロック線図である。ワーク上での塗布中断時の曲線軌跡を示す図である。従来における塗布作業再開後の塗布状況を示す図である。本開示を実施した場合の塗布作業再開後の塗布状況を示す図である。本開示における塗布作業の手順を示すフロー図である。ノズル（ツール）の過去の位置から得られた直線と現在位置との距離を示す図である。一連の位置データを滑らかに結ぶスプライン曲線を示すである。

　以下、本開示の実施形態について、図面を参照して、詳細に説明する。

　以下の例では塗料の塗布処理作業を産業用ロボットによるアプリ処理として例示しているが、これはあくまでも一例であって、他のアプリ処理（例えば、シール材の塗布、プラズマ照射、レーザ溶接、他）にも同技術が適用可能である。また、以下の例ではロボットアームの先端に取り付けられたツールを「ノズル」と呼んでいる。図１は、本開示の各実施形態に共通のロボットシステムの構成図である。図１に示すロボット１０は、６軸垂直多関節又は４軸垂直多関節などの多関節のアーム１１を有する多関節型ロボットである。アーム１１の先端には、ワーク３０に塗料を塗布するためのノズル１２（ツール）が取り付けられている。塗布作業は、ロボット制御装置２０が、ロボットアーム１０のアーム１１の各関節部に内蔵されるサーボモータ１４（図２）を制御し、ユーザプログラム内に教示された一連の動作命令（教示位置）を滑らかに結ぶ曲線軌跡上に沿ってノズル１２が所定の速度で移動するようアーム１１を動作させることにより、ノズル１２をワーク３０上の所定の曲線軌跡に沿って所定の速度で移動させながら、ノズル１２が所定の位置に達した瞬間に所定の流量の塗料を射出することにより行われる。ユーザプログラムにはノズル１２の教示位置情報だけでなくノズル１２の移動速度、動作形式（直線、円弧ないしはスプライン曲線などの移動形式）、塗料吐出位置、吐出流量など、アプリ処理に必要な情報が記述される。

　図２は、ロボット制御装置２０とロボット１０の間、並びに、ロボット制御装置２０の各ユニット間及びロボット１０の各部材間におけるロボット制御の際の信号の授受関係を示すブロック線図である。ロボット制御装置２０は、マイクロコンピュータなどからなる処理ユニット（ＣＰＵ）２１、ＲＯＭ，ＲＡＭなどのメモリ部材を含む記憶ユニット２２，及び、ロボット１０との間で信号の送受信を行う送受信ユニット２３を構成要素とする。一方、ロボット１０には、ロボット制御装置との間で信号の送受信を行う送受信装置１３、アームを動かすためにアームの各関節部などに内蔵されている複数のサーボモータ１４－１，１４－２・・・・１４－ｎ、及び、サーボモータからの信号を受けてノズル位置・移動速度を検出するノズル位置・速度検出部が備えられている。

　ロボット制御装置２０の記憶ユニット２２には、ロボット１０のノズル１２が所望の軌跡を描いて移動しながら塗布を行うためのユーザプログラムや、ツールの位置・進行速度などの教示データが記憶されており、処理ユニット（ＣＰＵ）は、記憶ユニット２２から読み出したこれらの記憶データと、ロボット１０から受け取ったフィードバックデータなどに基づいて、ロボット１０の複数のサーボモータ１４－１，１４－２・・・・１４－ｎに対しての指令信号を作成し、送受信ユニット２３及び送受信装置１３を通じて、各サーボモータ１４－１，１４－２・・・・１４－ｎに指令信号を与える。

　ロボット１０においては、ロボット制御装置２０から受けた指令信号に従って複数のサーボモータ１４－１，１４－２・・・・１４－ｎを回動させ、各サーブモータ１４－１，１４－２・・・・１４－ｎにおいて特定の周期で検出した実際の各サーボモータの回転数、回転速度のデータからノズル１２の特定周期ごとの位置・移動速度データを検出する。検出されたデータは、送受信装置１３及び送受信ユニット２３を介して、ロボット制御装置２０に送られ、特定周期ごとのノズル位置・移動速度のデータとして記憶ユニット２２に記憶され、また、場合によっては、直接処理ユニット（ＣＰＵ）２１において指令信号作成の処理のために用いられる。なお、ノズル位置・移動速度の検出の手法は、本開示の本質と関係する事項ではなく、本実施形態においては、ノズル位置・移動速度を実際の各サーボモータの回転数、回転速度のデータから検出することとしたが、例えば、特定の場所に載置されたノズル検出装置（カメラなど）によって検出されたデータから求めるものであってもよい。

　次に、本開示の実施形態に係る塗布作業に係るロボットアーム先端のノズル１２の移動動作及びその移動動作のための制御の手法について説明する。図３は、ワーク３０上にノズル１２によって曲線軌跡Ｓにそって塗布作業が行われていた際に、ロボット１０においてエラーが生じ、点Ｐで塗布作業が中断され、ノズル１２は点Ｑで停止している状況が描かれている。点Ｒは、本開示を実施するために点Ｑで停止しているノズル１２が戻るべき地点を示す。また、ワーク３０上には、ノズル１２が点Ｑから点Ｒまで直接戻る場合に衝突し障害物となる凸部が設けられている。

　ワーク３０上の塗布の軌跡が曲線であることから、ノズルの塗布作業が中断された状態の軌跡をたどって戻るためには、ノズルの前進時にすべての補間データ（一定周期ごとのノズル位置データ）を記憶する方法が考えられる。しかしながら、全ての補間データを記憶するとその記憶量は膨大となる欠点がある。また、例えば、点Ｒまで直接、直線的に戻ろうとすると、障害物となる凸部に衝突し、直線的に戻ることにも困難が生じることがあった。そのため、従来においては、点Ｑから塗布を再開し（この場合の塗布状況を図４に示す）、点Ｐと点Ｑの間は後に人手で修正することとしていた。

　本開示においては、後述する３つの実施形態により、塗布作業が中断された状態の軌跡を求めてその軌跡をたどって戻ることが可能となり、さらに、ノズル１２の移動開始から加速して塗布作業中断点Ｐで教示された移動速度となるのに必要十分な距離を確保できる点Ｒまで曲線軌跡Ｓをたどって戻り、点Ｒからノズル１２の移動を再開し、点Ｐに到達した時点から、教示されたとおりのノズルの移動速度での塗布を開始するものである。その結果、図５に示すように、図４で生じていたギャップや過大塗布の問題を生じることなく、効率的に塗布作業を継続することができる。

　次に、本開示における塗布作業の手順をフロー図で示す。図６に示すように、まず、ロボットでのエラーなどにより塗布作業の中断が検知されることから始まる（ステップＳＴ１）。塗布作業の中断が検知されなければ（ステップＳＴ１でＮＯの場合）、塗布作業の中断を検知するまで待つ。塗布作業の中断が検知されれば（ステップＳＴ１でＹＥＳの場合）、ロボット制御装置２０は、塗布作業が中断された地点である点Ｐを記憶しておく（ステップＳＴ２）。

　次に、ノズルの移動停止が検知されたか否かが判定される（ステップＳＴ３）。ノズルの移動停止が検知されなければ（ステップＳＴ３でＮＯの場合）、ノズル移動の停止を検知するまで待つ。ノズル移動の停止が検知されれば（ステップＳＴ３でＹＥＳの場合）、次に、ノズルが曲線軌跡Ｓをたどって戻り停止後に移動を再開する点Ｒを求める（ステップＳＴ４）。

　ステップＳＴ４でノズルが曲線軌跡Ｓをたどって戻り停止後に移動を再開する点Ｒを求めるには、点Ｒまで曲線軌跡Ｓをたどって戻るために十分な距離のノズルの移動軌跡を把握する必要がある。そのノズルの移動軌跡の把握のしかたとして、本明細書の説明で３つの実施形態を紹介するが、それについては後述する。

　その後、ノズルの移動軌跡をたどって点Ｒまで戻る（ステップＳＴ５）。ここで、ステップＳＴ４で求めた点Ｒまで直接直線的に戻るのではなく、ノズルの移動軌跡をたどって点Ｒまで戻ることによって、ノズルが障害物に衝突することを避けることができる。そして、次に、ノズルが点Ｒに到達したか否かが判定される（ステップＳＴ６）。ノズルが点Ｒに到達していなければ（ステップＳＴ６でＮＯの場合）、ノズルが点Ｒに到達するまで待つ。ノズルが点Ｒに到達すれば（ステップＳＴ６でＹＥＳの場合）、次に、ノズルを一旦停止させた後、前進方向への移動を再開する（ステップＳＴ７）。

　その後、ノズルが塗布作業の中断地点である点Ｐに到達したか否かが判定される（ステップＳＴ８）。ノズルが点Ｐに到達していなければ（ステップＳＴ８でＮＯの場合）、ノズルが点Ｐに到達するまで待つ。ノズルが点Ｐに到達すれば（ステップＳＴ８でＹＥＳの場合）、その時点からユーザプログラムで教示されたとおりの塗布作業を再開し、その後、ノズルの動きを含む塗布作業のユーザプログラムが引き続き実行され（ステップＳＴ９）、このフローは終了する。

　本開示を実施するに当たり、ノズル移動が曲線軌跡Ｓ上を移動する場合、ノズルの移動時に補間データ（特定周期ごとのノズル位置データ）をすべて格納すると記憶容量が大量に必要になり、また、そのためにノズル位置データを記憶する周期を長く取ると、ノズルが移動した曲線軌跡Ｓを正確に把握することができず、曲線軌跡Ｓ上の移動距離を正確に求めることができなかった。

　そこで、本開示の実施形態１では、ノズル１２が曲線軌跡Ｓ上を前進移動するときのノズル１２の位置データ（少なくとも三次元空間内のXYZ位置データとαβγ姿勢データ（オイラー角データ）の六つの値、付加軸がある場合には付加軸データも含める）をリングバッファ領域に記憶するようにした。ノズル１２の位置データをリングバッファ領域に記憶すると、限られた容量に収まる数の位置データのみが記憶可能であり、位置データの記憶に必要な容量がリングバッファ領域の記憶容量を超えると、古い（最も前の）位置データの記憶から順に消去され、新しい位置データの記憶が可能となる。

　ノズル１２の位置データの記憶の間隔（周期）は、元の曲線軌跡Ｓからの逸脱距離を限度内に抑えるために必要な周期を確保する。元の曲線軌跡Ｓからの逸脱距離を限度内に抑えるために必要な周期を確保する手法として、ある一定周期ごと（例えば数ｃｍごと）に位置データを記憶する方法や、図７に示すように、直前に記憶したツール位置のデータの最も新しいデータと次に新しいデータの２つの記録点（記録点１、記録点２）を結ぶ直線から、現在のノズル１２の位置までの距離が特定距離Ｄ以上になったときが、ノズル１２の位置データを記憶するときとする方法、もしくは両方を組合わせることもできる。

　ノズル１２の前進動作時の位置データをリングバッファ領域に記憶させることにより、記憶される位置データが限られたものとなり、そしてその限られた位置データが、ノズル１２が所定の距離だけ正確に逆行するのに必要十分の数の位置データであるから、大量の記憶容量を必要とせず、逆行のための曲線軌跡を把握することができるようになった。

　本開示の実施形態２では、ノズル１２が曲線軌跡Ｓ上をアプリ処理しながら前進移動するとき、ノズル１２の移動動作を制御するユーザプログラム内に教示されたノズル１２の一連の位置データを滑らかに結ぶ曲線を生成するよう計算（プラン）されたプラン（曲線）データ（このデータは、直線であったり、円弧であったり、スプライン曲線であったり種々多様であるが、ここではそれら記述するパラメタまたはデータの集合を「プランデータ」と呼ぶことにする）をロボット制御装置２０の記憶ユニット２２に記憶しながらノズル１２が移動する。プランデータを記憶するためにある一定の領域を設けるが、新たなプランデータを記憶するための空き領域がなくなった場合には古いプランデータから消去して新しいものを記憶するようにする。領域のサイズは必要な距離を逆行するのに十分なサイズを確保しておく。

　ノズル１２の後退動作時には、ノズル１２の前進移動時に記憶されたプランデータによる動作軌跡（前進時に計算されたノズルの動作軌跡）を逆行することにより、ノズル１２の後退動作を行うから、元の曲線軌跡Ｓからのずれを最小に抑えることができる。

　本開示の実施形態３では、ユーザプログラムによりノズル１２が曲線軌跡Ｓ上を移動するときのノズル１２のユーザプログラム内の教示位置データを用いて、ノズル１２の後退動作を行うようにした。ユーザプログラム実行が中断したときの実行中の行番号と教示位置は既知であるので、ユーザプログラム内をさかのぼって現在実行中の行より前のいくつかの教示命令（教示位置）を検索することにより、現在のノズル１２の停止位置から始めて、それらの教示位置を後進方向に滑らかに結ぶ曲線を新規に計算（プラン）した曲線に沿って逆行して戻るものである。実施形態３は、実施形態１や実施形態２と異なり、前進実行中に記憶領域にノズル１２の位置軌跡を記憶する必要がなく、前進実行中に位置記憶のための余計な制御処理が不要となり、計算時間のシステム全体への影響を少なく済ませることができる。

　さらには、実施形態１ないし３のいずれにおいても、本開示の実施に際して、塗布作業の再開の位置を、正確に塗布作業が中断された位置（点Ｐ）に合わせることが非常に重要である。そのため、本開示では、ロボット等でのエラー発生時に塗布作業を中断した位置（点Ｐ）を正確に検出するとともに、ノズル１２の前進動作の再開後の塗布作業の再開のタイミングを微調整することによって、塗布作業の再開の位置を前後に微調整できるようにし、精密に塗布作業の再開の位置を塗布作業の中断位置（点Ｐ）に合わせることができるようにした。そのためには以下のようにする。すなわち、点Ｐは逆行動作のために計算した曲線軌跡上にあるか、または、曲線軌跡に非常に近い位置にあるので、点Ｐに最も近い曲線軌跡上の位置を逆行動作開始前に予め見つけておきそれを点Ｐ’としておく。逆行動作は曲線軌跡上のノズル１２の位置を時々刻々計算するので、その位置が点Ｐ’を通過する瞬間に塗布作業を再開するようにする。塗布作業再開の位置を前後に微調整するということは、点Ｐ’の位置を曲線軌跡に沿って必要な距離だけ前後にずらすことに他ならない。微調整はこのように内部的には曲線軌跡に沿った距離で点Ｐ’を移動することで行われるが、これを操作者に提示する際には「距離」または「時間」で表示することが可能である（距離÷速度⇒時間なので）。

　また、実施形態１ないし３のいずれにおいても、ノズル１２の逆行動作時に、ノズル１２の先端との接触で、曲線軌跡Ｓの塗布済みの塗料を損なってしまわないようにする必要がある。そのため、本開示では、ノズル１２が逆行動作を開始するときには、ノズル１２の高さの位置を上下に微調整し、必要とされる所定距離だけ逆行した後に前進動作を再開するときに元の高さの教示位置に戻ることができるようにした。これによって、ノズル１２の先端と曲線軌跡Ｓの塗布済みの塗料との接触を回避することができる。そのためには以下のようにする。すなわち、ノズル１２の先端点（TCP: Tool Center Point）はアーム１１のツール取り付け面からの３次元（または６次元）位置で表されるが、逆行動作の時だけＴＣＰ位置のＺ値に必要な微調整値を足し込むことで実現可能である。すなわち、実際のノズル先端点の先の位置にあたかもノズル先端点があるように微調整することで、逆行動作時のノズル１２の位置が必要な距離だけ上下にずれることになる。

　以上、本開示の実施に関して、実施態様について説明したが、本発明はこうした実施態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施できるものであることは勿論である。例えば、連続処理作業の内容については、塗料の塗布に限らず、接着剤やシール材の塗布も含まれ、さらには、各種の表面処理や押圧・射出作業、プラズマ照射、レーザ溶接にまで応用することも可能である。

　１０　…　ロボット
　１１　…　アーム
　１２　…　ノズル（ツール）
　１３　…　ロボットの送受信装置
　１４－１～１４－ｎ　…　サーボモータ
　２０　…　ロボット制御装置
　２１　…　処理ユニット（ＣＰＵ）
　２２　…　記憶ユニット
　２３　…　ロボット制御装置の送受信ユニット
　３０　…　ワーク
　　Ｐ　…　塗装作業中断地点
　　Ｑ　…　ノズルの停止地点
　　Ｒ　…　ノズルが戻るべき地点
　　Ｓ　…　曲線軌跡

Claims

　プログラムにより所望の曲線軌跡に沿って所望の速度でロボットアームの先端に取り付けられたツールを進行させながら連続処理作業を行うロボット制御装置において、
　前記連続処理作業が中断された際に、前記連続処理作業の中断の位置からさらに前記ツールが減速しながら前進した後に停止した場合に、前記連続処理作業の中断の位置及び前記連続処理作業の中断の位置での前記ツールの進行速度を記憶する記憶ユニット、及び、
　前記ツールが、前記記憶ユニットで記憶された前記連続処理作業の中断の位置及び速度で進行しながら前記連続処理作業を再開することができるように、前記ツールが停止する前の前進動作時の曲線軌跡に沿って所定の距離だけ逆行し、逆行した位置から、前記ツールが停止する前の前進動作時の曲線軌跡に沿って前進する前進動作を再開するためにロボットに与える指令を作成する処理ユニットを備えたロボット制御装置。
　前記記憶ユニットは、前進動作時に常に所定周期ごとの前記ツールの位置データである補間データを記憶し、記憶量が特定の範囲を超えたときに最も先に記憶した補間データを消去するリングバッファ領域を有し、前記ツールが停止する前の前進動作時の曲線軌跡は、前記リングバッファ領域において記憶された前記ツールの位置によって把握される曲線軌跡である請求項１に記載のロボット制御装置。
　前記ツールの位置データである補間データを記憶する所定の周期は、前記補間データにおける現在のツール位置の１つ前のツール位置の点と２つ前のツール位置の点の２つの点を結ぶ直線から、前記現在のツール位置までの距離が特定距離以上になったときに生じるものとする請求項２に記載のロボット制御装置。
　前記連続処理作業を再開する前の逆行動作時の曲線軌跡は、前進動作時に前記ツールの前進動作を制御するプログラムにより、前記所定の周期ごとの前記ツールの位置データである補間データから計算された曲線のデータにより把握される曲線軌跡である請求項２に記載のロボット制御装置。
　前記連続処理作業を再開する前の逆行動作時の曲線軌跡は、前進動作時に、曲線軌跡に沿って所定の距離だけ逆行するのに必要となる距離の分だけ記憶された前記ツールに対する教示位置によって把握される曲線軌跡である請求項１に記載のロボット制御装置。
　前記連続処理作業を再開する位置は、前後に微調整することができる請求項１～５のいずれかのロボット制御装置。
　前記ツールが停止する位置から所定の距離だけ逆行するに際しては、前記ツールの高さの位置を上下に微調整し、前記所定の距離だけ逆行した後に前進動作を再開するときに元の高さの教示位置に戻すことができる請求項１～６のいずれかのロボット制御装置。